旋噴樁聯(lián)合花管注漿在既有鐵路軟基處理中的應(yīng)用

徐彩風(fēng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430002)

旋噴樁聯(lián)合花管注漿在既有鐵路軟基處理中的應(yīng)用

徐彩風(fēng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430002)

在軟土地區(qū)新建二線鐵路以及既有路基工程升級(jí)改造引起既有鐵路的沉降問題，是影響鐵路安全運(yùn)營的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)既有加固方法的局限性，在不影響鐵路正常運(yùn)營的前提下，采用旋噴樁聯(lián)合花管注漿技術(shù)對(duì)既有鐵路軟基加固處理進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述旋噴樁聯(lián)合花管注漿技術(shù)的原理、整個(gè)流程以及施工工藝，通過工程實(shí)例，驗(yàn)證該方法應(yīng)用于既有鐵路軟基處理是可行有效的。

旋噴樁;花管注漿;既有鐵路;軟基處理

0 引言

在軟土地區(qū)修建的鐵路，路基的沉降問題是影響既有鐵路安全運(yùn)營的主要因素之一。低標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)鐵路，是通過堆填道碴的方式來滿足軌面平順的要求。隨著行車速度的不斷大幅提高，既有鐵路的升級(jí)改造，以及高標(biāo)準(zhǔn)二線鐵路的修建，路基的沉降、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等方面的高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，使得控制既有路基沉降和變形成為鐵路路基設(shè)計(jì)和施工的最大難點(diǎn)。

目前，針對(duì)既有軟土路基加固的方法有多種，主要有基床換填法、土工格室墊層法、基床封閉法、擠密樁法、灌漿法、樁基加固法等。為確保交通運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行，一般采取開通施工便線進(jìn)行臨時(shí)過渡，然后對(duì)既有路基進(jìn)行地基加固處理。對(duì)于城區(qū)、地形狹窄區(qū)等無施工便線過渡條件，或施工過程中不能中斷正常營運(yùn)時(shí)，常規(guī)的地基處理方法難以滿足加固要求，要么是因施工設(shè)備的作業(yè)空間大而影響行車，要么是存在加固盲區(qū)而影響加固效果，無法保證加固后工后沉降和安全穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到預(yù)期目的。因此，本文針對(duì)既有加固方法的局限性，在不影響鐵路正常運(yùn)營的前提下，采用旋噴樁聯(lián)合花管注漿技術(shù)對(duì)既有鐵路軟基加固處理進(jìn)行研究。

1 旋噴樁聯(lián)合花管注漿的加固原理

1.1 旋噴樁加固原理

旋噴樁是以高壓噴射流直接沖擊破壞土體，漿液與土以半置換或全置換凝固為固結(jié)體的加固方法。既可以用于工程建設(shè)之前，也可以用于工程修建之中，特別是用于工程落成之后，顯示出不損壞建筑物的上部結(jié)構(gòu)和不影響運(yùn)營使用的長處。旋噴樁設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、占地少，高度僅為2～3 m，能在狹窄和低矮的現(xiàn)場(chǎng)施工。施工中無振動(dòng)、無噪音，不會(huì)對(duì)周圍建筑物帶來振動(dòng)影響和對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生噪音公害［1］(見圖1)。

圖1 旋噴樁施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Construction site of jet－grouted pile

1.2 花管注漿加固原理

花管注漿是通過鉆機(jī)引孔，將花管擊入路基內(nèi)需要加固的地層中，注漿的同時(shí)提升花管，以分段注漿的方式使得漿液在地層中均勻擴(kuò)散［2］(見圖2)。

在樁體外圍土體顆粒間隙中形成抗剪強(qiáng)度高的樹枝狀漿液結(jié)石體，擠密原土體，并與之結(jié)合在一起，大大提高了路基強(qiáng)度。而花管是采用直徑Φ50的鐵管制成，間隔30 mm開設(shè)直徑為8 mm的篩網(wǎng)式，貫入端采用錐形焊接，尾部采用螺口與直通連接的注漿管，如圖3所示。

圖2 花管注漿示意圖Fig.2 Schematic diagram of perforated pipe grouting

圖3 花管實(shí)物圖Fig.3 Physical map of perforated pipe

1.3 聯(lián)合加固設(shè)計(jì)

為了避免施工過程影響列車的安全運(yùn)營，同時(shí)達(dá)到加固的目的，路基邊坡及坡腳地段采用旋噴樁加固，路基本體以下軟弱地基采用花管注漿加固。兩側(cè)旋噴樁對(duì)坡腳進(jìn)行地基加固保證路基的穩(wěn)定，又可作為帷幕約束花管注漿的加固范圍，避免漿液串出路基本體以外?；ü茏{的設(shè)計(jì)以不同角度斜向發(fā)散向路基本體注漿，充填土中裂隙和孔隙的同時(shí)，在軟弱地基土中形成樹枝狀水泥結(jié)石體，均勻改善地基土特性并避免加固盲區(qū)，使土體整體性得到加強(qiáng)，以達(dá)到地基加固的效果(見圖4)。

2 聯(lián)合加固施工流程

旋噴樁聯(lián)合花管注漿技術(shù)加固既有鐵路軟基的整個(gè)施工流程為:施工準(zhǔn)備→測(cè)量放孔→工藝試驗(yàn)→旋噴樁施工→花管注漿施工→質(zhì)量檢測(cè)。

2.1 施工準(zhǔn)備

(1)清除或改移現(xiàn)場(chǎng)地表、地下管線、雜物、建筑物，平整場(chǎng)地。

圖4 旋噴樁聯(lián)合花管注漿加固斷面設(shè)計(jì)圖Fig.4 Section design of jet－grouted pile combined with perforated pipe grouting

(2)如周邊有建筑物時(shí)，應(yīng)布置監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)既有鐵路路肩設(shè)置變形觀測(cè)樁，并在路基兩側(cè)坡腳外2 m、10 m處各設(shè)置一排觀測(cè)樁。同時(shí)施工人員進(jìn)行施工培訓(xùn)，設(shè)備配備齊全，并建立漿液拌和站。

(4)采購旋噴樁噴射漿液材料及花管注漿材料，選用PO42.5普通硅酸鹽水泥漿或礦渣水泥、水，必要時(shí)還需采購水玻璃等外加劑。

2.2 測(cè)量、放孔

平整施工場(chǎng)地后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上的孔位，利用施工基線和輔助基線，在邊坡和坡腳地段進(jìn)行孔位精確放樣，同時(shí)引出護(hù)樁以校核樁位。

2.3 工藝試驗(yàn)

在施工前，旋噴樁及花管注漿均應(yīng)進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)待加固區(qū)地質(zhì)條件下的設(shè)備、工藝是否適宜，確保選用的技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果制定水泥漿液的配合比、施工注意事項(xiàng)等標(biāo)示牌用于指導(dǎo)施工。

2.4 旋噴樁施工

旋噴樁視樁長、樁徑可采用單重管法、雙重管法或三重管法［3］，樁端進(jìn)入硬層不少于0.5 m，停漿面位于地表硬殼或褥墊層下。首先用射水、錘擊等方法或用鉆機(jī)垂直成孔，然后將噴射注漿管貫入土中，當(dāng)噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，開始噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達(dá)到規(guī)定值后，按工藝要求，一邊提升噴射管，一邊由下而上噴射注漿。施工完成后，清除上部虛樁、浮土，進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。噴射漿液材料選用PO42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比0.8∶1，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期(70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm)水泥土抗壓強(qiáng)度不小于 2.0 MPa。

2.5 花管注漿施工

在既有路基兩側(cè)邊坡或挖成的臺(tái)階處采用Φ75 mm的鉆機(jī)引孔，用于穿透表層的填土層，孔深以進(jìn)入待加固的軟土地層內(nèi)2 m為準(zhǔn);再將Φ50 mm的花管按設(shè)計(jì)角度擊入設(shè)計(jì)深度;然后采用分級(jí)注漿法進(jìn)行花管注漿施工。

2.6 質(zhì)量檢測(cè)

(1)旋噴樁在成樁后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目和頻次如表1。

表1 旋噴樁質(zhì)量檢測(cè)表Table 1 Quality inspection of jet－grouted pile

(2)花管注漿的質(zhì)量檢測(cè)主要通過過程控制，注入規(guī)定的設(shè)計(jì)漿量或達(dá)到規(guī)定的注漿壓力。

(3)做好路肩觀測(cè)樁和坡腳邊樁的位移變形觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行地基加固效果的綜合評(píng)估，以此判定地基加固效果和質(zhì)量。

3 施工關(guān)鍵工序

3.1 旋噴樁施工

(1)在邊坡和坡腳地段施工旋噴樁時(shí)，采用跳樁施工，一般跳3～5根。先施工路基最內(nèi)側(cè)一排，然后按照內(nèi)側(cè)第二排、第三排等依次逐排向外側(cè)施工。

(2)旋噴樁施工中，當(dāng)拆卸鉆桿或因故停噴后續(xù)噴時(shí)，應(yīng)重復(fù)旋噴不小于100 mm。旋噴過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升、孔口冒漿量超過20%或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)查明原因及時(shí)處理。

(3)停漿面以下5 m范圍的壓力控制在12～15 MPa，以下段落的壓力控制在20～23 MPa。當(dāng)因壓力過大導(dǎo)致路基產(chǎn)生明顯抬升時(shí)，應(yīng)降低壓力。

3.2 花管注漿

(1)采用跳孔施工，一般沿線路方向隔2孔進(jìn)行注漿施工，當(dāng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)停止施工，變形穩(wěn)定后再繼續(xù)，必要時(shí)加大跳孔數(shù)量。

(2)注漿一經(jīng)開始應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，避免中斷。水泥漿液配比一般為0.75∶1，要求采用 PO42.5礦渣硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)。

(3)應(yīng)嚴(yán)格控制注漿速度和注漿量，注入設(shè)計(jì)的水泥漿液量即可終孔，注漿流量一般10～15 L/min。注漿壓力在10 m以上采用0.2～0.4 MPa，10 m 以下采用0.4～0.6 MPa，必要時(shí)增加減水劑，加速凝固。

(4)終止注漿應(yīng)滿足下列條件之一:①注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求;②10 m以下注漿壓力達(dá)到0.5 MPa，持續(xù)注漿10 min;10 m以上注漿壓力達(dá)到0.2 MPa，持續(xù)注漿10 min。滿足終孔條件時(shí)，應(yīng)閉漿10～20 min，避免漿液回流。

4 工程實(shí)例

東部沿海地區(qū)某條既有鐵路增建二線，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h，地基分布厚度達(dá)15～30 m的深厚層軟土，地質(zhì)條件差。為了滿足規(guī)范對(duì)時(shí)速200 km/h路基工后沉降的要求，即區(qū)間工后沉降不大于15 cm［4］，采用旋噴樁聯(lián)合花管注漿加固方法對(duì)二線地基以及既有鐵路軟基進(jìn)行加固處理。

地質(zhì)條件自上而下分別為:

(0)填土;

設(shè)計(jì)加固方案:既有鐵路路基兩側(cè)以及增建二線地基采用旋噴樁加固，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，按正方形布置，樁底入(3)-1地層不小于1 m;既有鐵路中心部分采用花管注漿加固，間距2.0 m，三角形布置，注漿加固到(3)-1地層頂面，見圖5。

施工完成后，對(duì)路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到工后沉降—時(shí)間變化曲線(見圖6)。

通過監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)采用雙曲線回歸法進(jìn)行工后沉降的預(yù)測(cè)(見圖7)。

雙曲線方程為:

式中:St——時(shí)間 t時(shí)的沉降量;Sf——最終沉降量(t=∞);S0——初期沉降量(t=0);a、b——將荷載不再變以后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過回歸求得的系數(shù)。

從圖6－圖7中得知，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)R2=0.995 8 ＞0.92，沉降變形趨勢(shì)是可靠的［5］。通過計(jì)算得到回歸系數(shù) a=1.309 5，b=0.026 5，總沉降 Sf=38.7，St=37.78，施工期完成沉降比 St/Sf=0.98 ＞75%。通過計(jì)算預(yù)測(cè)工后最大沉降量為6.8 cm，小于路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)15 cm，地基加固效果明顯。

圖5 增建二線路基設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design sketch of new second－line roadbed

圖6 沉降—時(shí)間變化曲線Fig.6 Change curve of settlement-time

圖7 沉降—時(shí)間預(yù)測(cè)圖Fig.7 Prediction of settlement-time

5 結(jié)語

根據(jù)國家鐵路發(fā)展規(guī)劃，既有鐵路增建二線的擬建項(xiàng)目越來越多，在軟土地區(qū)新建二線鐵路引起既有鐵路的沉降問題，以及既有路基工程升級(jí)改造和病害問題，是影響既有鐵路安全運(yùn)營的最主要因素和技術(shù)難點(diǎn)。

本文通過對(duì)旋噴樁聯(lián)合花管注漿新技術(shù)從設(shè)計(jì)到施工整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究分析，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)軟基處理中，通過沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果得到工后沉降滿足規(guī)范要求，方法可行有效。整個(gè)施工過程不影響既有鐵路安全營運(yùn)，無需修建臨時(shí)便線工程，不用挖除既有路基本體而進(jìn)行加固，避免了臨時(shí)征地和環(huán)境污染。同時(shí)該技術(shù)適用于狹窄空間下的地基加固，解決了常規(guī)方法無操作空間而不能解決的問題，為其它相關(guān)領(lǐng)域既有土木工程的加固處理提供參考。

［1］ 徐至鈞，等.建筑地基處理工程手冊(cè)［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2005.

［2］ 吳裕銘.花管注漿技術(shù)在加固既有鐵路軟土路基中的應(yīng)用［J］.路基工程，2012(1):130－134.

［3］ 中鐵二院工程局集團(tuán)有限公司.鐵路工程路基處理技術(shù)規(guī)程［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［4］ 鐵道科學(xué)研究院.新建時(shí)速200千米客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］ 鐵道科學(xué)研究院.客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Application of Jet-grouted Pile Combined with Perforated Pipe Grouting in the Soft Foundation Treatment of Existing Railway

XU Caifeng
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd.，Wuhan，Hubei430002)

In the soft soil area，the problem of settlement caused by the construction of new second － line railway and renovation of existing railway is a technical difficulty that will affect the safe operation of railways.Based on the limitations of the existing reinforcement methods，under the premise of not affecting the normal operation of railway，this paper conducts the research on soft foundation treatment using the technology of jet-grouted pile combined with perforated pipe grouting.It describes in detail the principle，overall process and construction technology of the technology of jet-grouted pile combined with perforated pipe grouting and verifies the effectiveness of this method in the soft foundation treatment of existing railway.

jet-grouted pile;perforated pipe grouting;existing railway;soft foundation treatment

TU472.3+6;U213.1+4

A

1671－1211(2014)02－0164－05

2013－12－04;改回日期:2014－02－13

徐彩風(fēng) (1983－)，女，工程師，工程地質(zhì)專業(yè)，從事巖土方面的勘察設(shè)計(jì)工作。E－mail:81489907@qq.com